网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及陶瓷增强金属基复合材料及制备方法， 特别涉及一种网络互穿型陶 瓷 - 金属复合材料及其制备方法。背景技术
关于金属基耐磨复合材料主要有制造成本、 使用寿命等方面的考虑。陶瓷增强金 属基复合材料中的陶瓷单元主要包括陶瓷颗粒、 陶瓷纤维、 多孔或网络陶瓷预制体等， 对应 的金属基复合材料分别称之为陶瓷颗粒增强金属基复合材料、 陶瓷纤维增强金属基复合材 料和多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料。针对陶瓷颗粒或纤维增强金属基复 合材料的制备， 为了提高陶瓷单元在复合材料的均匀性， 其制备工艺更为复杂， 制造成本也 会显著增加， 特别是在服役过程中陶瓷颗粒经常会出现易脱落的问题， 从而大大降低使用 寿命。而对于普通的多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料， 由于多孔陶瓷预制体 的制备主要采用有机泡沫浸渍工艺、 发泡法、 添加造孔剂工艺、 和溶胶 - 凝胶工艺、 自蔓延 高温合成方法等， 要么存在制备工艺成本高、 工艺条件难控制， 要么制备的陶瓷力学性能不 高， 从而也会导致制备的复合材料制备成本高或出现使用寿命不长等情况。 发明内容
本发明基于陶瓷 - 金属复合材料在制备成本、 使用寿命等方面的性能考虑， 另辟 蹊径， 其目的在于提供一种网络互穿型陶瓷 - 金属基复合材料及其制备方法， 该材料可克 服陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷单元的不均匀性、 制备工艺的复杂性以及服役过程中陶 瓷单元的易脱落等问题， 实现了陶瓷与金属之间的强冶金结合， 所制备的复合材料具有成 本低、 使用寿命长、 可靠性好等优点， 特别适用于摩擦、 磨损等各种耐磨领域。
为达到以上目的， 本发明是采取如下技术方案予以实现的 ：
一种网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料， 其特征在于， 包括金属基体， 以及由横向筋 和纵向筋构成的陶瓷支架， 所述金属基体用铸造工艺包裹在陶瓷支架的横向筋和纵向筋周 围， 与陶瓷支架联结为一体。
上述方案中， 所述陶瓷支架的材质为碳化硅陶瓷。所述金属基体的材质为铸钢或 铸铁。所述陶瓷支架包含有单层、 双层或三层以上横向筋。
前述网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的制备方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ：
(1) 陶瓷支架的制备 ： 先制备多孔碳支架， 然后通过渗硅处理制备包括横向筋和 纵向筋的 SiC 陶瓷支架 ；
(2) 陶瓷 - 金属复合材料的制备 ： 先根据陶瓷支架和复合材料的外形尺寸进行铸 型设计， 再将陶瓷支架固定于铸型内， 然后将完全熔化的铸钢或铸铁熔体浇注于铸型内， 最 后冷却， 脱模， 取出。
本发明的陶瓷 - 金属复合材料与现有技术相比， 其优点在于 ：
(1) 工艺简单， 制造成本低。采用三维 SiC 陶瓷支架的金属铸造复合技术， 制备具有网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料， 与陶瓷颗粒或纤维增强金属基材料相比， 可以简单地 解决其陶瓷单元不均匀的难题， 且制造成本低。
(2) 可靠性好， 使用寿命长。 同样地， 与陶瓷颗粒或纤维增强金属基复合材料相比， 采用本发明技术制备陶瓷 - 金属复合材料中的陶瓷单元 ( 陶瓷支架 ) 在服役过程中不易脱 落， 可靠性更好 ； 与普通多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料相比， 采用本发明技 术制备陶瓷 - 金属复合材料中的陶瓷单元 ( 陶瓷支架 ) 比普通多孔陶瓷或网络结构陶瓷具 有明显力学性能高的优点， 从而有利于提高使用寿命。 附图说明 图 1 为用于本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的单层陶瓷支架的结构示意 图， 其中图 1(a) 和图 1(b) 为横向筋分别在纵向筋中间和一端的陶瓷支架。
图 2 为用于本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的双层陶瓷支架的结构示意 图。
图 3 为用于本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的多层 ( 包括三层或三层以 上 ) 陶瓷支架的结构示意图。
图 4 为用于本发明的单层陶瓷支架增强金属复合材料的结构示意图， 其中 ： 图 4(a) 单层陶瓷支架增强金属复合材料的主视示意图， 图 4(b) 为图 4(a) 的 A-A 剖视示意图 ；
图 5 为用于本发明的双层陶瓷支架增强金属复合材料的结构示意图， 其中 ： 图 5(a) 双层陶瓷支架增强金属复合材料的主视示意图， 图 5(b) 为图 5(a) 的 B-B 剖视示意图 ；
图 6 为用于本发明的多层 ( 包括三层或三层以上 ) 陶瓷支架增强金属复合材料的 结构示意图， 其中 ： 图 6(a) 多层 ( 包括三层或三层以上 ) 陶瓷支架增强金属复合材料的主 视示意图， 图 6(b) 为图 6(a) 的 C-C 剖视示意图。
图 1 至图 6 中 ： 1、 陶瓷筋 ； 2、 金属基体 ； 3、 陶瓷支架。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例， 对本发明作进一步的详细描述。
参照图 1、 图 2 和图 3， 为用于本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的陶瓷支 架 3， 其陶瓷筋 1 直径 5 ～ 10mm( 包括横向筋和纵向筋 )， 相邻陶瓷筋间距为 15 ～ 40mm， 纵 向筋高度为 40 ～ 60mm。
参照图 4、 图 5 和图 6， 本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料， 包括金属基体 2、 陶瓷支架 3， 金属基体 2 与陶瓷支架 3 通过铸造工艺浇注为一体。陶瓷支架 3 的材质为碳化 硅陶瓷。金属基体 2 的材质为铸钢或铸铁。陶瓷支架 3 包括单层、 双层和或三层以上横向 筋的支架结构。
本发明的网络互穿型陶瓷 - 金属复合材料的制备方法， 包括如下步骤 ：
(1) 制备陶瓷支架 ； 先制备多孔碳支架， 然后通过渗硅处理制备 SiC 包括横向筋和 纵向筋的陶瓷支架 ；
(2) 陶瓷 - 金属复合材料的制备 ： 先根据陶瓷支架和复合材料的外形尺寸进行铸 型设计， 再将陶瓷支架固定于铸型内， 然后将完全熔化的铸钢或铸铁熔体浇注于铸型内， 最 后待冷却， 脱模， 取出。实施例 1
一、 制备单层 SiC 陶瓷支架。
(1) 采 用 熔 模 成 型 方 法 制 备 单 层 多 孔 碳 支 架 ： 先 将 称 量 好 的 乙 二 醇、 苯磺酰 氯、 可溶性淀粉和沸水依次加入酚醛树脂 ( 其中乙二醇与淀粉和酚醛树脂的质量比为 50 ∶ 10 ∶ 40， 添加 8wt％的苯磺酰氯和 10wt.％的沸水 )， 同时不停地机械搅拌 50 分钟， 得 到均匀混合物。将该均匀混合物注入预先设计及加工好的石蜡阴模 ( 石蜡阴模横向只有单 层横向孔 ) 中， 并置于空气炉内缓慢升温至 50℃预固化和 180℃深固化， 此时， 石蜡已被熔 化去除。最后将固化的单层树脂基支架经 800℃保温 60min 碳化制得单层多孔碳支架。
(2) 制备 SiC 陶瓷支架 ： 将上述步骤制备好的单层多孔碳支架， 置于真空炉内， 并 用工业纯硅粉覆盖， 缓慢加热至 1600℃烧结 60min， 即制备具有单层结构的 SiC 陶瓷支架 ( 图 1)， 其中陶瓷筋直径约为 10mm， 相邻筋间距约为 30mm， 纵向筋高度为 40mm。
二、 采用砂型铸造工艺， 制备 SiC 陶瓷 - 钢基复合材料
采用 Mo 丝将上述制备的 1 个或多个单层 SiC 陶瓷支架固定于预先设计砂型型 腔内， 再将用中频感应电炉加热至熔化的高锰钢 (ZGMn13Cr2) 钢液浇入 ( 浇注温度约 1420℃ ) 砂型内， 待铸型冷却， 打箱清理后取出即制得陶瓷 - 金属基复合材料试样。
实施例 2
一、 制备双层 SiC 陶瓷支架。
(1) 制备双层多孔碳支架 ： 与实施例 1 中步骤 (1) 中成型工艺基本相同， 差别在于 石蜡阴模的不同， 要求 ： 石蜡阴模横向具有两层横向孔， 制备出来的多孔碳支架具有双层结 构。
(2) 制备 SiC 陶瓷支架 ： 将上述步骤制备好的双层多孔碳支架， 置于真空炉内， 并 用工业纯硅粉覆盖， 缓慢加热至 1600℃烧结 30min， 即制备具有双层结构的 SiC 陶瓷支架 ( 图 2)， 其中陶瓷筋直径约为 8mm， 相邻筋间距为 20mm， 纵向筋高度为 50mm。
二、 采用普通砂型铸造或负压铸造工艺， 制备 SiC 陶瓷 - 铁基复合材料
采用 Mo 丝将上述制备的 1 个或多个双层 SiC 陶瓷支架固定于预先设计的砂型型 腔内， 再将加热至出炉温度的高铬白口铸铁 (3Cr14Mn4B) 浇入 ( 浇注温度约 1400℃ ) 砂型 内， 待铸型冷却， 清理脱模， 取出即可。
实施例 3
一、 制备多层 SiC 陶瓷支架。
(1) 制备多层多孔碳支架 ： 与实施例 1 中步骤 (1) 中成型工艺基本相同， 差别在于 石蜡阴模的不同， 要求 ： 石蜡阴模横向具有多层横向孔， 制备出来的多孔碳支架具有多层结 构。
(2) 制备 SiC 陶瓷支架 ： 将上述步骤制备好的多层多孔碳支架， 置于真空炉内， 并 用工业纯硅粉覆盖， 缓慢加热至 1550℃烧结 30min， 即制备具有多层结构的 SiC 陶瓷支架 ( 图 3)， 其中陶瓷筋直径约为 5mm， 相邻筋间距为 15mm， 纵向筋高度为 60mm。
二、 采用砂型铸造工艺， 制备 SiC 陶瓷 - 钢基复合材料
采用 Mo 丝将上述制备的 1 个或多个多层 SiC 陶瓷支架固定于预先设计及加工的 砂型内， 再将加热至出炉温度的高锰钢 (ZGMn18Cr2) 浇入 ( 浇注温度约 1400℃ ) 砂型内， 待 砂型冷却， 清理干净即制取陶瓷 - 金属基复合材料试样。尽管以上实施例对本发明的技术方案进行了描述， 但本发明并不局限于上述的具 体实施例， 上述的具体实施例仅仅是示意性的、 指导性的、 而不是限制性的。本领域的普通 技术人员在本说明书的启示下， 其采用的金属材料还可以为其他的铸钢、 铸铁或可铸合金 材料等 ； 其采用的金属铸造方法还包括其它的特种铸造方法， 如熔模铸造、 离心铸造、 消失 模铸造等 ； 其陶瓷支架的横向或纵向筋还可以是其他直径、 间距和高度大小等。